Kāpēc ūdens kodolreaktorā mirdz zilā krāsā

Zinātniskās fantastikas filmās kodolreaktori un kodolmateriāli vienmēr kvēlo. Kamēr filmas izmanto specefektus, mirdzums ir balstīts uz zinātniskiem faktiem. Piemēram, ūdens, kas ieskauj kodolreaktorus, faktiski mirdz koši zilā krāsā! Kā tas darbojas? Tas ir saistīts ar parādību, ko sauc par Čerenkova radiāciju.

Kas ir Čerenkova starojums? Būtībā tas ir kā skaņas uzplaukums, izņemot ar gaismu, nevis skaņu. Čerenkova starojums ir definēts kā elektromagnētiskais starojums izstaro, kad uzlādēta daļiņa pārvietojas pa dielektrisku barotni ātrāk nekā gaismas ātrums vidē. Efektu sauc arī par Vavilova-Čerenkova starojumu vai Cerenkova starojumu.

Tas nosaukts padomju fiziķa Pāvela Aleksejeviča Čerenkova vārdā, kurš kopā ar Iļju Franku un Igoru Tammu saņēma 1958. gada Nobela prēmiju fizikā par eksperimenta efekta apstiprināšanu. Čerenkovs efektu pirmo reizi pamanīja 1934. gadā, kad ūdens pudele pakļauti starojumam, kas mirdzēja ar zilu gaismu. Lai gan tas netika novērots līdz 20. gadsimtam un netika izskaidrots, kamēr Einšteins ierosināja savu īpašo teoriju relativitāte, Čerenkova starojumu teorētiski bija paredzējis angļu polimāts Olivers Heavisīds 1888. gadā.

Gaismas ātrums vakuumā konstanti (c), tomēr ātrums, ar kādu gaisma pārvietojas caur barotni, ir mazāk nekā c, tāpēc daļiņas var caur barotni pārvietoties ātrāk nekā gaisma, tomēr tomēr lēnāk nekā gaismas ātrums. Parasti attiecīgā daļiņa ir elektrons. Kad enerģētiskais elektrons iziet cauri dielektriskajai videi, elektromagnētiskais lauks tiek izjaukts un elektriski polarizēts. Vide tomēr var reaģēt tikai tik ātri, tāpēc pēc daļiņas saglabāšanās ir traucēta vai saskanīga triecienvilnis. Viena interesanta Čerenkova starojuma iezīme ir tā, ka tas galvenokārt atrodas ultravioletā spektrā, nevis spilgti zils, tomēr tas veido nepārtrauktu spektru (atšķirībā no emisijas spektriem, kuriem ir spektrālie virsotnes).

Kad Čerenkova starojums iziet cauri ūdenim, lādētās daļiņas caur šo barotni pārvietojas ātrāk nekā gaisma. Tātad redzamajai gaismai ir augstāka frekvence (vai īsāks viļņa garums) nekā parastais viļņa garums. Tā kā ir vairāk gaismas ar īsu viļņa garumu, gaisma parādās zilā krāsā. Bet kāpēc vispār ir gaisma? Tas notiek tāpēc, ka ātri kustīgas lādētas daļiņas uzbudina ūdens molekulu elektronus. Šie elektroni absorbē enerģiju un atbrīvo tos kā fotonus (gaismu), kad tie atgriežas līdzsvarā. Parasti daži no šiem fotoniem cits citu atceļ (destruktīvi traucējumi), tāpēc jūs neredzēsit mirdzumu. Bet, kad daļiņa pārvietojas ātrāk, nekā gaisma var pārvietoties pa ūdeni, trieciena vilnis rada konstruktīvus traucējumus, kurus redzat kā mirdzumu.

Čerenkova starojums ir labs ne tikai tam, lai kodollaboratorijā jūsu ūdens mirdzētu zilā krāsā. Baseina tipa reaktorā zilā mirdzuma daudzumu var izmantot, lai novērtētu izlietotās kodoldegvielas stieņu radioaktivitāti. Apstarojumu izmanto daļiņu fizikas eksperimentos, lai palīdzētu noteikt pētāmo daļiņu raksturu. To izmanto medicīniskajā attēlveidošanā un bioloģisko molekulu marķēšanai un izsekošanai, lai labāk izprastu ķīmiskos ceļus. Čerenkova starojums rodas, kosmiskajiem stariem un uzlādētajām daļiņām mijiedarbojoties ar Zemes atmosfēru, tāpēc detektori ir izmanto šo parādību mērīšanai, neitrīnu noteikšanai un gamma staru izstarojošu astronomisku objektu, piemēram, supernovas, izpētei paliekas.

• Čerenkova starojums var notikt vakuumā, ne tikai tādā vidē kā ūdens. Vakuumā viļņa fāzes ātrums samazinās, tomēr uzlādēto daļiņu ātrums paliek tuvāk (vēl mazāks) par gaismas ātrumu. Tam ir praktisks pielietojums, jo to izmanto lielas jaudas mikroviļņu ražošanai.
• Ja relativistiski lādētas daļiņas iedarbojas uz cilvēka acs stiklveida humoru, var redzēt Čerenkova starojuma uzliesmojumus. Tas var notikt, pakļaujoties kosmiskajiem stariem vai kodolkritiskuma negadījumā.